民用低壓直流供電系統(tǒng)接地方式安全量化分析

童亦斌，王旭婷，王 靜，劉 毅

(1.北京交通大學 a.電氣工程學院,b.國家能源主動配電網(wǎng)技術研發(fā)中心,北京 100044；2.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 5180011)

隨著分布式發(fā)電、電池儲能、LED照明以及電動汽車充電等直流負荷的普及，低壓直流供電技術近些年受到廣泛關注[1-2]，研究和實踐初步驗證了低壓直流供電的應用價值及其在能源革命的進程中的巨大作用，低壓直流供電必將成為未來電網(wǎng)技術發(fā)展的一個重要方向[3-4].

在民用領域推廣低壓直流供電技術，用電安全是人們最關心的問題之一.一方面，在相同的條件下，直流電對人體的危害相比交流電小，因此被認為具有更高的安全性；另一方面，很多傳統(tǒng)直流供電領域大量采用IT接地方式，也被認為相比低壓交流供電系統(tǒng)常用的TN接地更加安全.

雖然直流供電已經(jīng)在軌道交通、通信及后備電源等行業(yè)長期廣泛使用，積累了大量經(jīng)驗[4-5]，但在主要面向居民等非專業(yè)用戶的民用領域，工程應用及技術標準體系較少，在電壓等級、接地方式及用電安全防護等方面，還未形成統(tǒng)一意見，其中對于接地方式的分歧顯得尤為明顯.用電安全既是直流供電技術未來市場推廣的一個重要驅動力，而現(xiàn)階段，由于接地方式等技術規(guī)范的缺失，又是制約其在民用領域推廣應用的重要障礙.

針對低壓直流系統(tǒng)接地方式，國內外已經(jīng)開展了很多研究，但主要結合一些具體的應用特點，并且以定性分析為主，缺乏較完整的量化評價方法.文獻[6-7]分析了不同接地方式對中壓系統(tǒng)單極接地故障和換流器控制的影響，但對低壓系統(tǒng)未予分析驗證；文獻[8-9]研究了光伏微網(wǎng)系統(tǒng)和直流充電站的接地方式，但未分析其對民用場景的適用性；文獻[10-11]分析了直流系統(tǒng)保護和電擊防護等技術問題，但對不同接地方式缺乏全面的對比，并且未考慮剩余電流檢測等保護裝置對接地方式安全性的影響；文獻[12-13]采用定量方法評估不同接地方式對系統(tǒng)供電可靠性和經(jīng)濟性的影響，但對于安全方面的問題考慮不周.

為解決定性分析的局限性，本文作者以人體電流效應為基準，對典型觸電事故和影響因素進行分析梳理，結合常用安全防護措施的技術特點和效果，采用層次分析法建立用電安全防護性能量化評價指標，對民用低壓直流供電系統(tǒng)接地方式進行量化對比，為系統(tǒng)設計方案的選擇提供更準確的依據(jù).

1 電流對人體的效應

對觸電事故危險性的評估，主要依據(jù)國家標準GB/T 13870.1—2008《電流對人和家畜的效應》[14]中，人體接觸電流所引起的生理損害，用圖1和表1予以描述.

圖1中曲線a左側的DC-1區(qū)，接觸電流小于2 mA，被認為“安全”，DC-2、DC-3和DC-4區(qū)的危險性逐漸增大，并與持續(xù)時間有關.曲線a、b間的DC-2區(qū)通常不會發(fā)生有害的電氣生理效應，可以看作“相對安全”；在DC-3和 DC-4區(qū)，危險性越來越嚴重：b、c1之間一般不會造成器官損壞，可以稱為“輕度危險”；c1右側的“中度危險”區(qū)域，發(fā)生心室纖維性顫動的概率顯著增加，到c3超過50%，達到“重度危險”的程度.

值得注意的是，直流電流的人體效應還與電流路徑和電流方向有關，表1和圖1顯示的是電流縱向向上(從雙腳到單手)的情況，如果電流是縱向向下或者是手到手，同等危害下對應心室纖維性顫動以上的電流閾值分別提高到2倍和2.5倍.

表1 直流電流與人體效應關系

為便于后面的量化評價，對應前述“安全”、“相對安全”、“輕度危險”、“中度危險”和“重度危險”的定性描述，定義觸電危險系數(shù)D分別為0、30、60、100和200，如圖2所示.以縱向向上的接觸電流來解釋，圖2中的2、25和140 mA分別為圖1中曲線a、b和c1長時間(>1 s)人體電流值上限，對應“安全”、“相對安全”和“輕度危險”.系統(tǒng)中常設置兩級剩余電流監(jiān)測裝置(Residual Current Detector，RCD)保護以提高可靠性，為了達到分級配合的目的，在下級RCD保護失效的情況下，可利用上級RCD提供后備保護.上級RCD一般使用延時型，額定剩余動作電流IΔn取300 mA，分斷時間最短按照500 ms考慮.采用300 mA作為“中度危險”的上限，意味著即使兩級RCD保護都失效，人體電流效應仍處于DC-4.2區(qū)；接觸電流處于300～500 mA之間，如果RCD保護不能及時可靠切斷電壓，室顫概率高于50%，可以認為處于“重度危險”狀態(tài)；當人體接觸電流超過500 mA，10 ms的接觸就可能引起室顫，即使所有RCD保護正常，分斷時間最快40 ms，仍無法有效防控觸電危險，觸電危險性評價需要綜合考慮保護接地和等電位聯(lián)結等措施的效果，本文的研究暫不涉及此區(qū)域.

由于觸電情形比較復雜，在不方便計算或測量接觸電流的時候，常采用接觸電壓對用電安全性進行評價.直流接觸電壓60 V是在正常干燥環(huán)境下可以直接接觸且不會產(chǎn)生危害的電壓上限，而如果考慮濕潤皮膚等情況，安全限值降低為30 V；利用5%人群體電阻推算出接觸電流140和300 mA對應的接觸電壓分別為190和280 V，而500 mA接觸電流按照5%和50%人群體電阻測算，大致處于330～430 V之間.參考相關規(guī)范和行業(yè)習慣，本文采用30、60、200、250和400 V作為5個危險區(qū)段的上限電壓，如圖3所示.

在最嚴重的情況下，接觸電壓大小等于直流電源電壓，因而電壓等級的選擇需要兼顧安全和供電能力兩方面的要求：供電電壓過低，如110 V，雖然安全性更好，但很多時候難以滿足民用領域200～300 m供電距離的要求；200 V以上的接觸電壓就有可能引起室顫，都需要按規(guī)定采取一系列電擊防護措施[15]，且安全防護措施沒有本質區(qū)別.因此，借鑒國內外研究成果和直流供電項目實施方案，本文以較常用的直流375 V電壓為例進行分析.由于該電壓等級的危險性較大，在民用領域應用，必須采取有效的安全防護手段，而接地方式就是其中一個重要內容.

2 接地方式及用電安全性分析

2.1 典型接地方式

IEC60364-1[16]采用與交流類似的命名方法，定義了直流系統(tǒng)3種典型接地方式：1) TN接地方式.供電線路在電源側接地并引出接地線，用電側設備外露導電部分，包括設備的金屬外殼，通過接地線接地.2)IT接地方式.供電線路在電源側不接地或高阻接地，用電側設備外露導電部分接地.3)TT接地方式.供電線路在電源側接地，用電側設備外露導電部分直接接地.圖4所示為直流系統(tǒng)單極結構接地方式，但本文所述方法和大部分結論同樣適用于雙極結構.

合理的接地方式與安全防護措施配合，可以大大降低觸電事故風險，這一點對于民用低壓直流供電系統(tǒng)尤為重要.由于安全監(jiān)測和故障保護比較復雜，同時還存在共模電壓帶來的電磁兼容等方面的問題，民用領域TT接地方式應用較少，本文主要對TN和IT(高阻)兩種接地方式進行分析.

圖5給出了一個直流系統(tǒng)的典型結構：單極系統(tǒng)的直流電源通過P和M線對用戶供電，h處設置斷路器和RCD；設備金屬外殼采取保護接地連接到等電位聯(lián)結MEB，Rde和Reb分別代表保護接地電阻和等電位聯(lián)結電阻；MEB經(jīng)地線PE與電源側接地極相連，同時在本地進行重復接地，相當于與電源共同構成了統(tǒng)一的等電位聯(lián)結.圖中各變量含義及取值(參考實際工程情況)，如表2所示.

表2 接地系統(tǒng)參數(shù)

TN接地系統(tǒng)中Rme=0，M極在電源側直接接地，而IT接地系統(tǒng)采取高阻接地(Rme一般在1 kΩ以上)或者是浮地(Rme接近∞)方式.

2.2 TN接地系統(tǒng)觸電事故分析

因設備故障等原因，P極與設備金屬外殼相連發(fā)生接地故障，如圖6中的x點，接地故障電流為

(1)

設備外殼x處的電位Ux=Udc-IesRl=253.6 V，但由于采取了等電位聯(lián)結，當有人接觸時，接觸電壓Ub(x點相對于MEB的電位差)為

(2)

接觸電壓在安全限值以內，處于相對安全狀態(tài).如果接地故障電流能觸發(fā)h處斷路器脫扣，就可以將故障點從系統(tǒng)中切除，方便實現(xiàn)故障定位選線功能，與交流TN接地系統(tǒng)的情形完全一樣.

如果設備保護接地出現(xiàn)異常，造成Rde增大，系統(tǒng)的危險性將隨之增加.在保護接地完全斷開，或人體直接觸碰P極帶電體的情況下，人體接觸電壓接近Udc=375 V，縱向向下的人體接觸電流Ib可達536 mA，系統(tǒng)處于重度危險狀態(tài).

如果TN接地系統(tǒng)在設備外部發(fā)生接地故障，如圖6中的y點，受對地接觸電阻影響，接地故障電流一般達不到斷路器過流脫扣閾值，故障監(jiān)測和切除需要借助其他措施，而如果只是單故障，一般不會引起觸電事故.

2.3 IT接地系統(tǒng)觸電事故分析

1) IT接地系統(tǒng)單點故障.

IT接地系統(tǒng)的典型結構同樣可以用圖5表示，M極在電源側通過電阻Rme接地.

同樣考慮P極在x點發(fā)生漏電，如圖7(a)，由于Rme較大，加上保護接地和等電位聯(lián)結共同提供的防護，x點的接觸電壓和接觸電流都非常小，遠低于30 V和2 mA，系統(tǒng)處于安全狀態(tài).

如果考慮保護接地完全失效的情況，為了將設備外殼的電位(也就是人體接觸電壓)Ux限制在60 V以內，即

(3)

則要求Rme≥3.7 kΩ.而為了將人體接觸電流限制在25 mA以內，即

(4)

則要求Rme≥14.3 kΩ.

可見，IT接地系統(tǒng)的安全性對保護接地和等電位聯(lián)結(Rde和Reb)的要求相對較低，在單點故障情況下，合理設計M極接地電阻Rme(本文取15 kΩ)，可以大幅提高系統(tǒng)用電安全性能.

2) IT接地系統(tǒng)兩點故障.

針對兩點故障，也就是兩極都存在接地故障，常見的有以下幾種情形，如圖8所示.

①兩點故障分別位于設備內外的兩極，如圖8(a)和(b)，P極和M極分別在a點和b點先后出現(xiàn)接地故障，接地故障電流因Rbe和故障點對地接觸電阻限制不會很大，一般不會造成h處斷路器過流脫扣，而在保護接地和等電位聯(lián)結正常的情況下，接觸電壓和接觸電流都在安全限值以內，系統(tǒng)處于安全狀態(tài).

②如果保護接地失效或人體直接觸碰帶電體，在圖8(a)所示的情況下，人體接觸電壓和縱向向下接觸電流最大接近于375 V和536 mA，系統(tǒng)處于重度危險狀態(tài)；在圖8(b)所示的情況下，由于a點接地故障，P極電位可能接近0 V，M極對地電位變成-375 V，縱向向上的接觸電流可達536 mA，進入圖1中的DC-4區(qū)，系統(tǒng)處于重度危險狀態(tài)，這基本是375 V電壓在正常人體條件下所能造成的最大危險.

③兩個故障點都在設備之外，如圖8(c)中的c和d.除非c和d直接短路，由于故障點對地接觸電阻的存在，P和M極間形成的接地故障電流一般不能觸發(fā)h處斷路器過流脫扣，這一點與圖6中TN接地系統(tǒng)y點接地故障情況類似.

總結TN和IT接地系統(tǒng)常見典型觸電事故的危險性，最嚴重的后果如表3所示，表3中PG和EB分別代表保護接地和等電位聯(lián)結.

表3 TN和IT接地系統(tǒng)在典型觸電事故情況下的危險性

3 用電安全防護措施

接觸電壓超過60 V，按規(guī)定必須采取一定的安全防護措施，在民用領域主要包括：

1)保護接地和等電位聯(lián)結.

在采用TN系統(tǒng)中，針對圖6的接地故障，根據(jù)式(1)和(2)可知，由于接地故障電流很大，保護接地和等電位聯(lián)結非常重要且要求較高.

對于IT接地系統(tǒng)，參考2.3節(jié)中的分析，如果Rme≥15 kΩ，則只要Rde≤2.4 kΩ，接觸電壓就不超過60 V，同時因為Rme和Rbe限制了接地故障電流，對保護接地和等電位聯(lián)結的要求也隨之大大降低.另外，雖然圖8(c)所示情形可能形成較大的短路故障電流，但一般與觸電事故沒有直流關系.

2)絕緣監(jiān)測.

如能及時檢出單點故障并采取必要的保護措施有效避免兩點故障出現(xiàn)，IT系統(tǒng)具有非常高的安全性能，絕緣監(jiān)測(Insulation Monitoring Device，IMD)因此成為IT系統(tǒng)非常重要的安全防護環(huán)節(jié).絕緣監(jiān)測常用電橋法，設置兩個電阻與正負兩極線路構成電橋，系統(tǒng)正常，則電橋平衡；若其中一極存在接地故障，則電橋失去平衡發(fā)出報警信號.但該方法僅能檢測系統(tǒng)整體的絕緣狀態(tài)，若要完成故障定位，還需要在支路加裝其他測量裝置或注入探測電流信號，增加系統(tǒng)成本甚至影響供電質量[17].

因而，為滿足民用場景的成本要求和供電質量，在民用低壓直流系統(tǒng)輻射狀多分支結構和分散用戶的環(huán)境下，即使IMD發(fā)現(xiàn)了絕緣問題，為保證供電連續(xù)性，很多時候不得選擇“帶病運行”.為此，本文僅考慮利用IMD對圖8(b)所示故障進行識別，并只在可能產(chǎn)生“嚴重”觸電事故后果的情況下才實施保護，即人體接觸電流Ib大于140 mA，此時P極對地電阻小于Udc/Ib-Rb= 2.23 kΩ.

3)剩余電流監(jiān)測.

在IT接地系統(tǒng)中，由于Rme的限流作用和IMD主動偵測故障隱患的能力，一些觀點對RCD在直流系統(tǒng)中的應用持否定意見.考慮到現(xiàn)有IMD技術在故障定位和選線方面的局限性，很難兼顧民用領域對安全性、供電連續(xù)性及成本的要求[17]，下面介紹通過RCD和IMD的配合改善安全性能的方法.

從圖8可以看出，IT系統(tǒng)中RCD可以有效檢出觸電事故和接地故障在h處形成的剩余電流，斷開斷路器就可以將故障切除，與TN接地系統(tǒng)中常用的RCD保護一樣，達到電擊防護和故障選線的雙重目的.具體來說：

1)接地故障點和人體觸碰點分別位于RCD的兩側，如圖9(a)中的a和b，此時故障電流(包括人體接觸電流和流過保護接地的接地故障電流)在RCD所在位置表現(xiàn)為剩余電流，可以被檢出并觸發(fā)相應保護，達到降低事故危害的目的.值得注意的是，RCD雖能降低觸電事故的危害，卻不能保證將故障點準確切除，如在斷路器脫扣后，故障點b仍然存在，安全隱患并未被完全排除.

2)接地故障點和人體觸碰點位于RCD一側，如圖9(b)中的a和b，由于Rme遠大于故障點對地接觸電阻，故障電流大部分按圖中所示路徑流過RCD，呈現(xiàn)與正常工作電流相同的形態(tài)，無法被RCD檢出.

3)圖9(c)所示人體兩點同時觸碰不同電極的情況，如雙手分別觸碰P和M極，大部分接觸電流從雙手間流過，與正常工作電流形態(tài)相同，但由于Rme較大， RCD所在位置只存在很小的剩余電流，一般很難被檢出.

再來看圖7(b)中的TN系統(tǒng)，同樣雙手分別觸碰兩極，接觸電流Ib1也無法與工作電流區(qū)分，但沒有Rme限流，Ib2較大，仍可能被RCD檢出.

除此之外，常用的安全防護措施還有間距、屏護及加強絕緣或雙重絕緣等，由于這些措施的效果受接地方式的影響不大，本文在對比過程中暫不予以考慮.

總結TN和IT接地系統(tǒng)中不同防護措施的作用和要求，如表4所示.

表4 安全防護措施對比

4 用電安全性能量化分析

由于TN和IT接地方式都存在觸電風險，并受多種因素的影響，定性對比難以得到明確并令人信服的結論.為此，本文將利用層次分析法，建立量化權重指標，從而對民用低壓直流供電系統(tǒng)接地方式的選擇進行比較.

4.1 影響因素的層次分析

由于評價專家的專業(yè)知識和經(jīng)驗的局限，以及影響因素之間的相互關聯(lián)，合理劃分評價目標在層次分析法中非常重要[18].基于前述分析結果，本文設計了“防護措施失效風險”、“重點關注風險”以及“單故障事故風險”3個子目標，用以計算“觸電危險性指標”，如圖10所示.

觸電危險性指標S的算法為

S=δ1F+δ2K+δ3N

(5)

式中：F代表防護措施失效風險，S=a1f1+a2f2+a3f3,f1～f3分別代表保護接地、等電位聯(lián)結、RCD和IMD措施分別失效可能帶來的觸電危險性系數(shù)，a1～a3代表各指標權重.

K用于評估在方案設計階段重點關注的觸電事故危險，包括后果最嚴重、出現(xiàn)幾率最高、安全需求最強及技術局限等情況，分別對應危險性系數(shù)為k1～k4，指標權重為b1～b4，K=b1k1+b2k2+b3k3+b4k4.在大多數(shù)民用供電系統(tǒng)中，單點接觸或接地是最常見的故障情形，而由于本文主要為設計方案的選擇提供支持，可以選取后果最嚴重的故障作為安全需求關注的重點；技術局限故障是指現(xiàn)階段難以避免的觸電事故，比如IT系統(tǒng)中圖8(b)和圖9(b)所示的事故情形，目前還未找到有效且滿足應用推廣要求的保護措施.

N代表單故障事故風險，常見的單故障類型包括單手和雙手直接觸碰帶電體，觸電危險性系數(shù)分別為n1和n2，權重分別為c1和c2，N=n1c1+n2c2.

f1～f3、k1～k4、n1～n2根據(jù)不同觸電事故情形，利用本文2和 3中的分析結果，采用圖2的觸電危險性系數(shù)標定；權重系數(shù)δ1～δ3以及a1～a3、b1～b4和c1～c2則基于專家打分結果計算獲得.

4.2 專家打分表的量化處理

根據(jù)圖10所示的影響因素層次結構，設計打分表并邀請9名業(yè)內專家進行評價，以1位專家的打分結果為例說明量化處理過程，如表5～表8所示.

表5 觸電危險性指標的評價打分結果

表6 防護措施失效風險的評價打分結果

表8 單故障風險的評價打分結果

為避免專家專業(yè)知識和經(jīng)驗等原因影響評價結果，首先采用一致性校驗的方法對數(shù)據(jù)質量進行檢驗，計算判斷矩陣的一致性指標CI，并用CR評估判斷矩陣的一致性是否滿足要求.

(6)

(7)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值;m為矩陣階數(shù)；RI表示隨機一致性指標，3階矩陣取0.52，4階矩陣取0.89.在實際應用中，CR<0.1就認為判斷矩陣的一致性是可以接受的.以表5為例，S的最大特征根λmax為3.08，CI=0.04，RI取0.52，CR=0.08<0.1，滿足一致性要求.

然后采用乘積方根法，求各判斷矩陣元素的幾何平均值

(8)

式中:rij代表每個矩陣中的元素.由此可得矩陣W=[0.25,1.33,3]T.

接下來，對矩陣W進行歸一化處理，得到權重系數(shù)δj為

(9)

判斷矩陣S=[0.05,0.29,0.66]T.

對其他專家的打分結果進行相同的處理，分別得到各個專家的權重系數(shù)，通過算術平均，最終得到各影響因素的權重系數(shù)，如表9所示.

表9 影響因素的權重系數(shù)

4.3 用電安全性量化分析結果

通過第2和第3中的分析，TN和IT接地系統(tǒng)中各影響因素的危險性系數(shù)見表10和表11，利用表5的權重系數(shù)，根據(jù)式(5)可以計算得到TN接地系統(tǒng)觸電危險性指標S=110(中度危險)，而IT接地系統(tǒng)觸電危險性指標S=78(輕度危險).在用電安全防護性能方面，IT接地方式略優(yōu)于TN接地方式.

表10 TN接地系統(tǒng)主要影響因素危險性指標

表11 IT接地系統(tǒng)主要影響因素危險性指標

對比表10和表11可以看出，不同接地方式的差異主要體現(xiàn)在f1和k2，對應保護接地失效和最常見的單點接地故障，IT接地方式的觸電危險性在以上兩方面更低，用電安全防護性能更高.

5 結論

以典型觸電事故接觸電流對人體的效應為參考，對影響用電安全性的主要因素，采用層次分析法推導權重系數(shù)建立用電安全性量化評價方法，并對不同接地方式在用電安全性方面的差異進行了對比：

1)在民用低壓直流供電領域，IT接地方式的安全性較TN接地方式更高.

2)用電安全防護與應用場景有很大關系，如對于市政供電，由于氣候關系，水浸故障常被看作安全需求最強的問題，而在工業(yè)領域，設備維護工作可能帶來更加嚴重的觸電事故危險.對于不同場景，本文所述的方法基本適用，但需要根據(jù)具體應用特點，對觸電事故類型、危險性、影響因素及層次結構等進行綜合考慮與分析.